STANY SKUPIENIA

MATERII

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

GAZY

ciśnienie (p), objętość (V), temperatura (t [

o

C], T [K]), skład (np. stężenie)

ciśnienie:

N/m

2

= Pa (układ SI);

inne jedn.: mmHg; atm.

101325 Pa = 1013,25 hPa = 760 mmHg = 1 atm.

objętość:

m

3

(układ SI); inne jedn.: dm

3

temperatura:

T = t + 273,15

t =

5

/

9

· (t

F

- 32)

prawo Boyle'a (1662) i Mariotte'a (1672):
W przemianie izotermicznej iloczyn ciśnienia p i objętości V
określonej ilości gazu doskonałego jest wielkością stałą.

(p · V)

T

= const p

1

· V

1

= p

2

· V

2

prawo Charlesa (1787) i Gay-Lussaca (1802):
V

2

= V

1

· (1 +

α · ΔT)

dla p = const

p

2

= p

1

· (1 +

β · ΔT)

dla V = const

α

- współczynnik rozszerzalności temperaturowej gazu,

β

- współczynnik prężności gazów,

0,00366

273,15

1

T

1

β

α

o

=

=

=

=

2

1

2

1

2

1

2

1

T

T

p

p

i

T

T

V

V

=

=

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

prawo Daltona (1801): p = p

1

+ p

2

+ ... + p

n

równanie Clapeyrona:
dla 1 mola gazu:

równanie stanu gazu doskonałego:

const

T

V

p

=

⋅

2

2

2

1

1

1

T

V

p

T

V

p

⋅

=

⋅

lub

R

=

⋅

=

⋅

=

⋅

=

⋅

K

J/mol

8,31

K

273,15

/mol

m

0,022415

N/m

101325

T

V

p

T

V

p

3

2

o

o

o

dla n moli gazu:

p · V = n · R · T

uwzględniając prawa Daltona, Avogadra
i Clapeyrona można wykazać, że:

p

x

p

V

V

p

n

n

p

i

c

i

c

i

i

⋅

=

⋅

=

⋅

=

prawo Grahama (1829):

x

i

- ułamek molowy

1

2

d

d

=

2

1

ν

ν

dyfuzja

− samorzutne rozprzestrzenianie się cząstek substancji

przez daną fazę (stałą, ciekłą lub gazową)

v

1

i v

2

− szybkość dyfuzji gazów 1 i 2

d

1

i d

2

− ich gęstość w danych warunkach

temperatury i ciśnienia

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

gęstość gazu:

gęstość względem wodoru:

gęstość względna gazu D

wz

:

gęstość względem powietrza:

średnia energia kinetyczna cząsteczki gazu:

k - stała Boltzmana,

o

V

M

d

lub

V

m

d

=

=

wz

x

wz

x

wz

x

wz

M

M

M

n

M

n

m

m

D

=

⋅

⋅

=

=

2

M

D

x

H

2

=

29

M

D

x

pow.

=

J/K

10

·

1,38

N

R

k

23

-

A

=

=

T

k

2

3

E

k

⋅

⋅

=

CO

2

O

2

N

2

Gaz

412

482

515

prędkość (m/s)

681

CH

4

1363

He

1921

H

2

prędkość (m/s)

Gaz

Średnie prędkości cząsteczek popularnych

gazów w temperaturze 25

o

C

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

CIECZE

1/ właściwości cieczy

• są praktycznie nieściśliwe,
• brak określonego kształtu (kształt naczynia),
• dyfundują powoli,
• parują z otwartych zbiorników;

2/ gęstość cieczy - zależy od temperatury, gdyż zmiany

temperatury powodują zmiany
objętości cieczy;

3/ ciśnienie pary nasyconej - ciśnienie wywierane przez parę znajdu-

(prężność pary nasyconej)

jacą się w stanie równowagi z cieczą;

V

m

d

=

4/ temperatura wrzenia - temperatura, w której prężność pary cieczy

jest równa ciśnieniu zewnętrznemu;

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

dT

T

R

ΔH

p

dp

2

⋅

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

⋅

−

=

1

2

1

2

T

1

T

1

R

2,303

ΔH

p

p

log

Zależność temperatury wrzenia wody od ciśnienia

zmianę prężności pary nasyconej nad cieczą od temperatury

ujmuje równanie Clausiusa-Clapeyrona:

55,32

17,55

4,58

148,1

355,1

760

1489

2711

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0

20

40

60

80

100

120

140

Temperatura (

o

C)

Ci

śn

ie

n

ie

(

mmH

g

)

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

5/ napięcie powierzchniowe - naturalna skłonność powierzchni cieczy

do kurczenia się, spowodowana siłami
wciągającymi cząsteczki powierzchniowe
do wnętrza fazy;

Napięcie powierzchniowe (

γ)

wybranych cieczy

473,5

Rtęć

71,98

Woda

62,5

Gliceryna

28,2

Benzen

26,2

CCl

4

22,0

Etanol

γ · 10

−3

[J/m

2

]

Ciecz

Napięcie powierzchniowe cieczy jest to praca potrzebna

do zmiany powierzchni cieczy o 1 m

2

.

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

siły kapilarne - siły powodujące wznoszenie się cieczy

w wąskich rurkach (tzw. kapilarach);

siły adhezji - siły wiążące substancję z powierzchnią;
siły kohezji - siły wiążące ze sobą cząsteczki substancji

z utworzeniem zwartego materiału;

menisk cieczy - zakrzywiona powierzchnia utworzona

przez ciecz w wąskiej rurce;

Gdy siły adhezji między cieczą a szkłem
są większe od sił kohezji w cieczy, ciecz
tworzy menisk wklęsły (woda).

Gdy siły kohezji są większe od sił
adhezji, menisk jest wypukły (rtęć)

woda

rtęć

Jaki menisk tworzy woda

w rurce z tworzywa sztucznego ?

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

6/ lepkość - właściwość cieczy charakteryzująca jej opór

wobec płynięcia; „tarcie wewnętrzne”;

przepływ płynu: laminarny - warstwy przesuwają się równolegle

względem siebie;

burzliwy - cząsteczki mieszają się podczas ruchu;

Lepkość (

η) wybranych cieczy

0,55

Toluen

1,08

Etanol

0,90

CCl

4

1,52

Rtęć

0,89

Woda

0,30

Aceton

945

η · 10

−3

[Pa · s]

Gliceryna

Ciecz

Lepkość zwykle maleje ze wzrostem temperatury.

Im większa jest lepkość cieczy, tym wolniejszy jest jej przepływ.

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

7/ wiązanie wodorowe - oddziaływanie między kowalencyjnie związanym

atomem wodoru i należącym najczęściej do innej

cząstki atomem silnie elektroujemnym, dysponu-

jącym wolną parą elektronową;

ta forma wiązania występuje pomiędzy cząsteczkami tego samego

rodzaju (wiązanie wodorowe międzycząsteczkowe) lub wewnątrz

tej samej cząsteczki (wiązanie wodorowe wewnątrzcząsteczkowe)

X ... H – Y

atomy X i Y to najczęściej: N, O, F, Cl

energia wiązania:
siły van der Waalsa

2 – 30 kJ/mol

(oddziaływania międzycząsteczkowe, np. dipol-dipol)

wiązanie wodorowe

10 – 40 kJ/mol

wiązanie atomowe i jonowe

powyżej 100 kJ/mol

długość mostka wodorowego:

X ... H – Y

2,5 – 3,2 Å

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

występowanie (m.in.): woda (trzy stany skupienia), NH

3

, HF,

alkohole, aminy, amidy, kwasy nieorganiczne

i organiczne, biopolimery

H

H O . .

.

. .

.

O

H

H

H

H O . .

.

. .

.

O

H

H

...

...

...

...

.

..

.

..

.

..

.

..

H

H O . .

.

. .

.

O

H

H

H

H O . .

.

. .

.

O

H

H

woda

Struktura lodu

Lód

metyloamina w wodzie

H

H O . .

.

N

H

H

...

...

.

..

.

..

.

..

H

H N

H

H O . .

.

. .

.

O

H

H

CH

3

CH

3

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

O

H

N

O

O

. ..

..

.

O

H

O

C

OH

o-nitrofenol

kwas

o-hydroksybenzoesowy

wpływ wiązania wodorowego

na właściwości fizyczne:
• wzrost temperatury wrzenia

i topnienia

• wzrost lepkości
• wzrost momentu dipolowego

cząsteczki

• wzrost entalpii

i entropii parowania

• wzrost przenikalności

elektrycznej

. .

.

CH

3

C

O

O

H

H O

O

C

CH

3

. .

.

kwas octowy (dimer)

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

CIAŁA STAŁE

1/ właściwości ciał stałych

• zajmują charakterystyczną objętość
• są praktycznie nieściśliwe
• wykazują łupliwość
• posiadają niski współczynnik rozszerzalności cieplej

2/ ciała bezpostaciowe i krystaliczne

ciała bezpostaciowe - wykazują właściwości stanu stałego,

ale nie mają uporządkowanej
sieci krystalicznej, np. szkło

ciała krystaliczne - atomy ułożone są w sposób regularny,

tworząc tzw. sieć przestrzenną;

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

3/ alotropia i polimorfizm

alotropia - występowanie pierwiastka chemicznego

w różnych postaciach krystalicznych, np.:

C grafit, diament

S rombowa i jednoskośna

i fulereny

P biały i czerwony

polimorfizm - występowanie substancji chemicznej

w różnych postaciach krystalicznych, np.:

CaCO

3

aragonit i kalcyt

ZnS

blenda cynkowa i wurcyt

Siedem podstawowych

układów krystalograficznych

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

Sieć przestrzenna diamentu

Diament

Grafit

Sieć przestrzenna grafitu

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

Sieć przestrzenna NaCl

Sól kamienna (NaCl)

Fluoryt (CaF

2

)

Sieć przestrzenna CaF

2

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

WODA KRYSTALIZACYJNA

1/ woda koordynacyjna

2/ woda anionowa

3/ woda sieciowa

4/ woda konstytucyjna

[Al(H

2

O)

6

]

3+

[Cu(H

2

O)

4

]

2+

BaCl

2

· 2H

2

O

Ca(OH)

2

→ CaO + H

2

O

KH

2

PO

4

→ KPO

3

+ H

2

O

Cu

H

2

O

H

2

O

O

H

H

H

H

O

H

H

O

. ..

..

.

. .

.

. .

.

O

O

O

O

S